(57)【要約】【課題】最大電力点追従運転を実現する技術を確立すること。【解決手段】燃料電池２と負荷系統３との間に介設される電力変換器４が負荷系統３に対して出力する電力８を制御する制御器が設けられている。制御器は、燃料電池２の最大電力安全追随制御点Ｑに対応する電力９を燃料電池２から出力させる。負荷により出力特性が変動する物理的化学的電気的物性を持つ燃料電池２の最大効率運転を可能にする技術が実現される。燃料電池の出力の積極的変動を制御することができ、且つ、安全運転が可能である。【選択図】          図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
燃料電池と電力系統との間に配置される電力変換器と、
前記電力変換器が前記電力系統に対して出力する電力を制御する制御器とを構成し、
前記制御器は、前記燃料電池の最大電力安全追随制御点に対応する電力を前記燃料電池から出力させる
燃料電池の制御システム。
【請求項２】
前記制御器は、
前記燃料電池が出力する第１電力の電気値を検出する検出器と、
前記電気値に基づいて前記電力変換器が出力する第２電力を制御するための制御値を出力する制御指令器とを形成し、
前記制御値は前記最大電力安全追随制御点に対応している
請求項１の燃料電池の制御システム。
【請求項３】
前記電気値は前記電力に対応する電流値と電圧値である
請求項２の燃料電池の制御システム。
【請求項４】
前記電力変換器は、
第１電力変換器と第２電力変換器とを形成し、
前記第１電力変換器は、前記第１電力を前記制御値に基づいて前記第２電力に変換し、前記第２電力は前記第２電力変換器に入力する
請求項２の燃料電池の制御システム。
【請求項５】
前記第２電力変換器は前記第２電力を交流に変換し、前記第２電力変換器が出力する交流電力は前記電力系統に入力される
請求項４の燃料電池の制御システム。
【請求項６】
前記第２電力の一部は第２電力変換器に入力されずに抵抗を介して消費される
請求項５の燃料電池の制御システム。
【請求項７】
前記抵抗はヒータとして用いられる
請求項５の燃料電池の制御システム。
【請求項８】
前記最大電力安全追随制御点は前記燃料電池が出力する前記第１電力の前記電気値に基づいて算出される
請求項２の燃料電池の制御システム。
【請求項９】
前記制御器は、前記最大電力安全追随制御点の変動の制御を山登り法に従って実行する
請求項１の燃料電池の制御システム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、燃料電池の制御システムに関し、特に、高効率に安全運転が可能である燃料電池の制御システムに関する。
【背景技術】
【０００２】
ガスの電気的燃焼エネルギーを取り出す燃料電池は、その発電部が特殊な物理的化学的電気的環境にある。そのような特殊環境は、燃料電池出力変動と負荷変動の調和的制御を困難にしている。燃料電池の出力を制御する技術は知られている（後掲特許文献１）。燃料電池の特性変化に対応してその出力を制御する技術は、知られている（後掲特許文献２）。
【０００３】
発電電力の制御の意義には、最大電力点追従と燃料電池過負荷に起因する発電部損壊防止の２つがある。最大電力点追従運転は、ガスタービン発電、太陽光発電のように発電システムでは当然に考慮されるが、燃料電池発電に関しては知られていない。最大効率点追従に付随する発電部損壊防止の制御は知られていない。
【０００４】
【特許文献１】特開平８−３１５８４１号
【特許文献２】特開平６−２４５３７６号
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
本発明の課題は、最大電力点追従運転を実現する技術を確立する燃料電池の制御システムを提供することにある。
本発明の他の課題は、更に発電部損壊を防止する燃料電池の制御システムを提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本発明による燃料電池の制御システムは、燃料電池（２）と電力系統（３）との間に配置される電力変換器（４）と、電力変換器（４）が電力系統（３）に対して出力する電力（８）を制御する制御器とから構成されている。
【０００７】
負荷により出力特性が変動する物理的化学的電気的物性を持つ燃料電池の最大効率運転を可能にする技術が実現される。
【０００８】
制御器は、燃料電池（２）が出力する第１電力（９）の電気値（１３と１４）を検出する検出器（１１と１２）と、電気値（１３と１４）に基づいて電力変換器（４）が出力する第２電力（８）を制御するための制御値（１６）を出力する制御指令器（１５）とから形成されている。制御値（１６）は、最大電力安全追随制御点（Ｑ）に対応している。
【０００９】
電力変換器は、第１電力変換器（４）と第２電力変換器（５）とから形成されている。第１電力変換器（４）は、第１電力（９）を制御値（１６）に基づいて第２電力（８）に変換する。第２電力変換器（５）は第２電力（８）を交流に変換する。第２電力は、電力系統（３）に出力する。
【００１０】
第２電力（８）の一部は第２電力変換器（５）に入力されずに抵抗（２３）を介して消費される。抵抗（２３）の電力消費は、燃料電池（２）の動作をより円滑に安定化させる。抵抗（２３）はヒータとして用いられ、電力は有効に消費される。
【発明の効果】
【００１１】
本発明による燃料電池の制御システムは、最大効率の安全運転を実現する。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１２】
本発明による燃料電池の制御システムは、図に対応して詳細に記述される。パワーコンディショナが燃料電池システムに付随して設けられている。そのパワーコンディショナ１は、図１に示されるように、燃料電池システム２が出力する直流出力電力を交流出力に変換し、且つ、電力系統３に供給する電力を制御している。燃料電池システム２は、ガス供給源（例示：家庭内都市ガス供給口）から供給されるガスを改質する改質器と、改質器から取り出される水素を酸素に反応させて逆電気分解により直流電流を出力する電池型発電器とから構成されている。燃料電池システム２のこのような構成の図示は、省略されている。
【００１３】
パワーコンディショナ１は、入力電力変換器４と出力電力変換器（インバータ）５とから構成されている。燃料電池システム２から出力される直流電力９は、入力電力変換器４に入力される。入力電力変換器４には、入力電力制御器６が付随している。入力電力変換器４は、入力電流制御器６が出力する入力電力指令（値）７に基づいて出力制御する直流中間電力（ＤＣ）８を出力する。出力電力変換器５は、直流中間電力８を変換して交流出力を電力系統３に供給する。
【００１４】
燃料電池システム２を入力電力変換器４に接続する接続線には、入力電圧検出器１１と入力電流検出器１２とが介設されている。入力電圧検出器１１が出力する入力電圧（値）１３と入力電流検出器１２が出力する入力電流（値）１４は、入力電力指令演算器１５に入力される。入力電力指令演算器１５は、入力電圧１３と入力電流１４とに基づいて、入力電力変換器４から出力され出力電力変換器５に入力される直流中間電力８の出力量を制御する入力電力指令（値）１６を計算して出力する。入力電力制御器６は、入力電力制御指令１６と入力電圧１３又は入力電流１４に基づいて入力電力指令７を出力する。
【００１５】
図２は、燃料電池の出力特性を示している。燃料電池の出力電圧と出力電流の関係を示す特性線１７は、グラフ表現では、緩傾斜部分１８と急傾斜部分１９とから形成されている。緩傾斜部分１８は、出力電圧Ｖが出力電流Ｉの増大に対応して緩傾斜で減少する特性部分である。急傾斜部分１９は、出力電圧Ｖが出力電流Ｉの増大に対応して急傾斜で減少する特性部分である。緩傾斜部分１８と急傾斜部分１９の交点領域（傾斜急変領域）２１を過ぎて電流が増大すれば、電圧は急降下し、燃料電池の損壊を招く恐れがある。交点領域２１のうち急傾斜部分１９に属さず緩傾斜部分１８に属し緩傾斜部分１８のうちで最大電流点近傍領域２２で運転することが重要である。電力Ｐ（＝ＶＩ）の出力特性が、図２に併記されている。電力Ｐが最大になり且つ運転が安全である最大電力安全追随制御点Ｑに対応する最大電流追随制御点Ａｐ、又は、電力Ｐが最大になる最大電力追随安全制御点Ｑに対応する最小電圧追随制御点Ｖｐで運転されることが重要である。燃料電池システム２の中の電流値又は電圧値が最大電流追随制御点Ａｐ又は最小電圧追随制御点Ｖｐになるように、入力電力制御指令１６が入力電力指令演算器１５により計算される。計算は、入力電圧１３と入力電流１４とに基づいて実行される。入力電圧１３と入力電流１４とに基づく計算として、「山登り法」が好適に利用され得る。
【００１６】
図３は、そのような「山登り法」を示している。燃料電池は、蓄電池のような電力貯蔵発電器に見られる定電圧特性ではなく、その電圧は出力電流により変換する特性を有していて、図３に見られるように、その電圧−電力特性は山形特性を示し、出力電力が最大になる動作点（最大電力点）Ｋが特徴的に存在する。最大電力点追従制御（Maximum Power Point Tracking 制御、ＭＰＰＴ制御）では、出力電圧（横軸）の変動に対応して動作点が山形状に変動する。動作点ｂが山形状の右側に存在する場合には、出力電圧をＶｂからＶａに減少的に変化させると、動作点ｂは動作点ａに移動して、出力電力はＰｂからＰａに減少的に変化する。電力を常態的に検出しているパワーコンディショナーでは、動作点が山の左側にあれば、その動作点を右側に移動させて山の頂点に徐々に上昇的に向かわせ、その動作点が山の右側にあれば、その動作点を左側に移動させて山の頂点に徐々に上昇的に向かわせる。このように電圧変動に対応させて動作点が最大動作点に山登りのように上昇させ動作点を常態的に最大電力点に制御的に保持する運転制御法は、山登り法と呼ばれている。本発明による燃料電池の制御システムでは、このようなＭＰＰＴ制御法が燃料電池の出力制御に巧妙に取り込まれて利用されている。
【００１７】
電力系統に電力を出力するパワーコンディショナーでは電力系統の異常発生時に、パワーコンディショナーの運転を停止して速やかに系統から解列することが重要である。燃料電池システムの２の中の物理的化学的環境が安定するまでの時間（時定数）は、発電機のように短くなくて異常に長く、急激な出力電圧の変化は燃料電池システム２の運転が不安定である。このような燃料電池システム２の急激な出力変動を回避するために、出力電力変換器５と入力電力変換器４の間の回路線に抵抗２３を介設することが顕著に有効である。抵抗２３は、家庭内給湯、暖房用ヒータのような電力機器に効果的に用いられ得る。このような電力回収は、燃料電池システムの不安定運転とともに一石二鳥的（同時に）に実現される。
【図面の簡単な説明】
【００１８】
【図１】図１は、本発明による燃料電池の制御システムの実施の形態を示す回路ブロック図である。
【図２】図２は、電池特性を示すグラフである。
【図３】図３は、山登り法を示すグラフである。
【符号の説明】
【００１９】
２…燃料電池
３…負荷系統
４…電力変換器
５…第２電力変換器
８…電力（第２電力）
９…電力（第１電力）
１３…電気値
１４…電気値
１５…制御指令器
１６…制御値
２３…抵抗
Ｑ…最大電力安全追随制御点
【図１】
2005222863.tif 000003
【図２】
2005222863.tif 000004
【図３】
2005222863.tif 000005